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煤钻瓦斯解吸指标测定仪设计

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【摘要】本研究针对现有机械式煤钻屑瓦斯解吸指标测定仪存在的操作复杂、井下人工读数误差大和测定数据无法保存并上传的问题的分析,研制了一种电子式测定仪,增加了电磁阀,优化了手动阀的设计,提高了测定精度和自动化程度,操作简单,在煤矿现场应用效果良好,相比老仪器取得了较大的提高。

【关键词】煤钻屑瓦斯解吸指标;机械式;电子式;压差传感器;无线上传

提前进行煤与瓦斯突出危险性的预测并采取相应的防突措施,是避免发生煤与瓦斯突出事故、造成重大人员伤亡的有效手段。钻屑瓦斯解吸指标△h2值是预测煤与瓦斯突出危险性的重要指标,也是《防治煤与瓦斯突出规定》中要求的矿井预测工作面煤与瓦斯突出危险性的常用指标。目前,市场上常见的煤钻屑瓦斯解吸测定仪为纯机械人工操作设计,主机测定操作步骤为:(1)先打开两通旋塞5,然后将已采煤样的煤样瓶迅速放入解吸室2中,拧紧解吸室上盖,打开三通旋塞4,使解吸室2与水柱计1和大气均连通,煤样处于暴露状态;(2)当煤样暴露时间为3min时,迅速逆时针方向旋转三通旋塞4捏手,使解吸室与大气隔绝,仅与水柱计连通,开始进行解吸测定,并重新开始计时,测定开始后第2min末水柱计压差读数即为钻屑瓦斯解吸指标△h2。本文针对上述问题进行了分析,设计研制了一种电子式煤钻屑瓦斯解吸指标测定仪,集成了电子式秒表、压力传感器和无线传输模块,显示屏直接显示测定结果,测定数据可保存并通过无线上传;增加了电磁阀,改进了手动阀的设计,大大减轻了仪器操作复杂程度。

1电子式煤钻屑瓦斯解吸指标测定仪结构设计

新结构设计使得测定操作步骤简化,简化后只有简单的两个动作。第一步:拉开二位四通阀,按下“开始”按钮;第二步:将已采煤样的煤样瓶在3分钟内放入解吸室中(有提示音),盖上密封盖旋转拧紧密封即可。具体改进设计为:首先就是将两个独立的两通、三通旋塞进行融合设计,使其使用简便,减少操作步骤,通过对这两个独立的旋塞操作步凑的分析,设计了只需一个动作就能达到要求的独立阀门。再次将压差传感器、秒表融入到芯片内,通过芯片控制通气电磁阀开闭,延时到指定时间时自动记录压力。然后将独立二位四通阀,水柱,通气电磁阀,压差传感器、秒表等结构和电路,整体嵌入便携式外壳内;实现自动化改进。仪器主体结构设计如图1。

2电子式煤钻屑瓦斯解吸指标测定仪电路设计

测定仪电路框图如图2所示。

2.1微处理器模块

微处理器模块采用STM32F030系列嵌入式单片机,它采用ARMCortex内核,运算速度高达48MHz。STM32F030具有全套外设,包括高速12位ADC、先进且灵活的定时器、日历RTC和通信接口,采用STM32F030的应用设计能够随时升级到STM32系列中的任何产品,并且工具和应用软件的可重用性极高。

2.2传感器模块

TruStability高精度硅陶瓷(HSC)系列是一种压阻式硅压力传感器,具有模拟或数字输出,包括多种适应不同压力量程和温度范围的型号。HSC系列采用板载ASIC电路对偏移、灵敏度、温度和非线性进行了充分的校准和温度补偿。本设计选用的传感器压差测定量程为相对压力±2.5KPa,总误差为±1%FS,数据传输接口为I2C接口,内部采样为14位A/D转换,供电电压为3.3VDC,低功耗设计。

2.3人机交互模块

人机交互模块便于用户对测定仪的功能操作,主要包括4个按键和1个LCD显示屏。按键主要用于功能选择和操作。LCD显示屏采用功耗低128×64分辨率的微型黑色点阵单色液晶屏,其采用4线SPI串行接口与STM32F030通信,所需外部器件较少。IC采用UC1701X,功能强大,稳定性好。屏幕功耗低,不带背光1mW,带背光不大于150mW。工作温度宽,达到-20℃~70℃。

2.4无线传输模块

无线传输模块采用HC08蓝牙传输模块,其负责将测定数据无线传输给井下防爆手机,再由防爆手机传送到地面中心电脑。无线工作频段为2.4GHzISM,调制方式是GFSK。模块最大发射功率为4dBm,接收灵敏度-93dBm,空旷环境下和手机可以实现80米超远距离通信。模块可贴片焊接,方便嵌入应用系统之内。模块采用TI的CC2540芯片,配置256KByte空间,支持AT指令,可根据需要更改角色(主、从模式)以及串口波特率、设备名称、配对密码等参数,使用灵活。

2.5电磁阀及控制模块

气路密封选用的微型常开直流电池阀。其控制电源电压只需要6VDC,工作电流小于60mA,工作压力上限为300mmHg,满足仪器测定压力密封需求。

2.6电源模块

为了充分减小测定仪的体积和重量,测定仪设计为矿用本质安全型。其电源采用单节3.7V/1.4Ah容量锂电池,再经过双级限流、短路、过压保护电路并浇封,经电压变换电路变换为3.3V和6V电压,供后续功能模块、传感器和电磁阀使用。电源设计满足安标和井下防爆性能要求。

3电子式煤钻屑瓦斯解吸指标测定仪软件设计

测定仪软件设计采用嵌入式C语言编写,软件主要包括计时提示、电磁阀控制、数据采集计算显示、无线发送、仪器配置共五大功能模块。计时提示模块的主要功能是在测定前对煤样暴露时间进行倒计时,在时间快到时提示用户快速放入煤样,并开始测定。电磁阀控制模块的主要功能是在测定开始时控制关闭电磁阀,并在测定结束时控制打开电磁阀。数据采集计算显示模块的主要功能是采集传感器数据并计算出测定指标,然后显示在屏幕上。无线发送模块的主要功能是将测定结果通过蓝牙无线发送给已配对好的手机APP,实现数据快速上传的目的。仪器配置模块主要是实现仪器传感器校准、蓝牙地址显示、显示背光控制等的辅助配置功能。

4应用及结果

新研制的电子式煤钻屑瓦斯解吸指标测定仪在重庆松藻矿务局渝阳煤矿进行了现场试验和应用。试验方法为用新旧两种仪器在井下8个地点对相应8组煤样同时进行测定,测定后对比试验结果。通过井下对比试验结果可以看出,电子式测定仪与机械式测定仪测出的△h2值有差别,最大误差3Pa,差别不大。在测定过程中,用户反馈电子式测定仪操作更加方便,测定数据读数轻松,数据存储上传也快捷简单。

5讨论

本研究对机械式煤钻屑瓦斯解吸指标测定仪进行阀门优化设计和电子化改进,简化了用户测定操作,能自动测定、记录并无线上传指标值,避免了人工刻度读取误差,而且由于采用了高精度压差传感器,也使得指标测定结果更为准确。仪器在煤矿现场应用效果良好,相比老仪器取得了较大的提高。

参考文献

[1]AQ/T1065-2008钻屑瓦斯解吸指标测定方法[S].北京:煤炭工业出版社,2009.

[2]STM32F030C8数据手册[EB/OL].

作者:李柏均 单位:中煤科工集团重庆研究院有限公司

煤钻瓦斯解吸指标测定仪设计责任编辑:张雨    阅读:人次
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